在2400米岩层下等待暗物质“造访”

来源 :科学导报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:flymummy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  中国四川,凉山彝族自治州,西昌市,锦屏水电厂,锦屏山交通隧道中部。
   垂直岩石覆盖厚度达2400米的中国锦屏地下实验室内,科研人员在努力聆听暗物质粒子的絮语。
   科研人员早已发现,如果仅存在人们已知的物质,宇宙根本不应该是现在这副模样,一定有别的东西在起作用。
   从理论上来说,暗物质并不罕见。据估算,暗物质大约占据宇宙物质质量的85%。但是,它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用,是存在于模型中的理论推演。
   “谁能率先找到暗物质,谁就能在科学上走在前头。”清华大学工程物理系教授、国家重大科技基础设施副总指挥兼总工程师李元景说。

是工程奇迹,也是暗物质探测的绝佳选址


   中国锦屏地下实验室的源起,其实带点戏剧性。电视上,这只是一条滚动而过的字幕新闻:2008年8月8日,两条各17.5公里的锦屏山交通隧道实现双洞贯通。
   那时,清华大学工程物理系团队,正在全国寻找深地实验室的合适地址。
   屏蔽宇宙射线的最佳方式,就是将实验室建在地下。
   找到暗物质、研究暗物质,将是人类认识的一次重大飞跃,可能引发一场新的物理学革命。
   寻找暗物质之旅从2003年开始。
   一个巧合是,也是在2003年,来自全国各地的近18000名水电开发者,来到人迹罕至的雅砻江锦屏大河湾,凿开了他们的战场,为锦屏一、二级水电站修建做准备。
   金沙江支流雅砻江奔流至木里、盐源、冕宁三县交界处,因被锦屏山阻隔,骤然掉头,拐向东北方,形成长达150公里的锦屏大河湾。锦屏一、二级电站,就分别选址在这一大河湾东西两端。连接两座电站的锦屏山交通隧道,成为这浩大水利工程的两条主动脉。
   清华大学的老师从新闻上看到了这个奇迹。他们敏锐地意识到,暗物质实验室的地址,有了!
   时任清华大学副校长的程建平教授领着团队,去往四川,找负责锦屏水电站工程的二滩公司(现雅砻江流域水电开发有限公司,以下简称雅砻江公司),反复谈了多次。高校和企业的这番跨界合作,还真成了。
   实验室一期就建在锦屏山隧道中部。空间并不大,只有4000立方米,但填补了我国没有深地实验室的空白。
   經测定,锦屏地下实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一,是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室,也是全球岩石覆盖厚度最深的地下实验室。

跟所有细节“较劲”,将一切推到极限


   2010年,中国锦屏地下实验室正式运行。
   率先入驻的,是清华大学牵头的盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液氙暗物质实验项目。两大项目,都是对暗物质进行直接探测,即测量暗物质粒子直接弹性碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量等数值。
   随着合作组对辐射本底的要求越发苛刻,高纯无氧铜也不能直接拿来就用。清华大学工程物理系副教授马豪说,材料只要在地面上,就会被宇宙射线撞击,产生新的“噪声”。于是,课题组要将高纯无氧铜送到地下实验室,将铜电解再重组,去掉那些宇生同位素。探测暗物质最核心的装置,就是高纯锗探测器。
   传统高纯锗探测器及其谱仪被广泛应用于基础研究、核监测、核应急、国土安全和放射性管理等领域。但要探测暗物质,对锗的纯度要求更高。
   千足金叫“999”金,意思是含金量千分数不小于999。而课题组需要的锗,其纯度要达到12至13个9。
   目前,国内还没有制备这种大质量高纯锗晶体的能力。
   不过,在十余年寻找暗物质过程中,研究团队已经攻克了探测器制造技术。现在,团队已能做出商业级别的高纯锗探测器,实现了成果转化。
   CDEX合作组的高纯锗探测器,就置身实验室白色聚乙烯伸缩门后。
   它身处重重保护之下:1米厚的聚乙烯材料,用来慢化和吸收中子;20厘米厚的铅层,用来屏蔽外部伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯,可以吸收热中子;20厘米厚的高纯无氧铜,则用来屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线。

二期扩建,向成为全球深地科学研究中心进发


   暗物质实验取得的成果,推动了我国相关基础前沿领域迅速发展,也吸引了更多科研需求。原有的暗物质实验要升级,还有核天体物理实验、深地岩石力学实验、无中微子双贝塔衰变实验……中国科学家渴望着这样一个极深地下实验空间。
   4000立方米,显得越发捉襟见肘。
   2014年,清华大学和雅砻江公司继续合作,开挖锦屏地下实验室二期工程。
   做这样一个大工程,光有科学家团队是不行的。他们必须充分整合资源,找到靠谱的合作伙伴,协同前进。
   好在,锦屏地下实验室被列入了国家重大科技基础设施“十三五”规划。它的正式名称,叫极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施。
   从实验室一期出来,往西端走上500米左右,就到了实验室二期。它由4条子隧道构成,总容积达30万立方米,被分成8个不同的主实验厅和其他公共区域。
   中国锦屏地下实验室主任程建平曾对笔者打过比方:如果实验室一期是一套别墅的话,那么实验室二期就是一个小区。小区内,要容纳更多的实验团队和实验项目。
   但新的难题接踵而至。比如说,通风。
   二期实验空间从一期的4000立方米增加到了30万立方米,在理论计算和研讨以后,建设团队决定安装三根800毫米管径的聚乙烯材质的通风管道,从西端雅砻江畔的拦污坝平台经由排水洞输送新风到实验大厅,全长9公里。
   但是自锦屏水电站发电之后,这条排水洞,实际上处于半废弃状态。洞内没有照明和通讯设备,有淤泥和涌水,有废弃的风机、龙门架、钢筋、混凝土残渣,还有多处深坑、围堰、涌水点和栏坝。2016年年初,建设团队中的清华大学薛涛老师带领两位工程师,穿着连体防水服,带着对讲机、安全绳、救生衣、电筒和铁锹,进入排水洞勘察。3个小时,他们穿过淤泥,淌过流水,一点点摸清排水洞洞内情况,写成了排水洞勘察报告,为通风管道的修建,奠定了前期基础。
   现在,不同的科研团队,带着他们各自待解的谜题,等待进入扩建后的中国锦屏地下实验室。
   5月下旬,笔者来到地下实验室二期B厅。在尚未完全建好的实验室内,上海交大牵头的PandaX合作组已经紧锣密鼓开始了工作。
   探测暗物质是国际竞争性项目,其他国家也在发力。这让科研人员不得不分秒必争。
   PandaX实验升级后的4吨量级的液氙探测器正在紧张调试运行,等候暗物质的“造访”。
   “我们在不断地接近真相。”上海交通大学物理与天文学院助理研究员王舟说。不管是合作还是竞争,人类都在为拓展认知边界而努力。但在他们内心,还是存着为国争光的念头。“我们想在人类科学史上,留下属于中国人的一笔。”这位年轻的女科研人员说。
   CDEX的实验也会升级到百公斤级甚至吨级的高纯锗阵列探测器,将探测灵敏度再提升两个数量级。合作组的实验大厅中,近八层楼高的液氮罐已矗立在基坑内。罐内,将要放入1000个高纯锗探测器。
   “我们特别有信心,10年后,中国会有一个全球闻名的地下实验室。”李元景说得兴奋。他设想着,把锦屏地下实验室变成全球深地科学研究中心。
其他文献
北京市密云区高岭学校的学生正在奥金达蜜蜂生态科普馆VR蛋椅上体验蜜蜂飞行。贺勇摄  谈到科普你会想到什么?不少人或许第一反应会是科普著作、科教纪录片以及科研专家的学术讲座,但如今科普手段早已有了新变化。VR、AR、人工智能、网络直播、短视频……不少新技术和新传播渠道为科普提供强劲助力。随着“两微一端”、短视频等平台迅猛发展,科普知识传播也进入快车道,科普形式正向着多样化、个性化、场景化纵深发展。科
期刊
科学导报讯 6月2日,记者从太原市政府新闻办举行的新闻发布会上获悉,太原市印发了《关于规范全市城乡居民门诊慢性病病种及支付标准的通知》和《关于调整职工大病保险缴费和待遇标准的通知》两项切实减轻全市参保群众医疗费用负担和提高医疗保障服务水平的惠民政策,从今年7月1日起实施。   《支付标准通知》不仅扩大了门诊慢性病病种,重新评估确定了各病种的支付标准,优化了各病种准入标准,而且建立了退出机制,并开通
期刊
谷雨时节,大江南北一片春耕忙碌景象。  中国粮食,中国饭碗。春耕农机设备轰鸣背后,是粮食生产连年丰收,是农业农村经济持续稳定向好,是乡村振兴实现良好开局。  2017年10月,党的十九大作出实施乡村振兴战略重大决策部署。2018年2月4日,《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》对外发布,这是新世纪以来第15个指导“三农”工作的中央一号文件。文件围绕乡村振兴战略讲意义、定思路、定任务、定政策、
期刊
关键词:歌唱;声乐作品;民族声乐;现代 一、引言   中国文化历史拥有上千年的历史。在中国声乐的发展历程中,不但对中国传统民间音乐进行了继承和弘扬,而且吸收了外来的音乐文化,成就了现如今的大量创作型声乐作品。   《鸟儿在风中歌唱》是一首典型的近代创作型歌曲,作品完成于2000年,主题是保护环境、保护动物。他采用西方作曲手法,具有一定戏剧色彩。   《岩口滴水》是一首云南民歌,其旋律优美,主题鲜明
期刊
《月球峰会》,吴季著,浙江教育出版社2021年3月出版  从文类发展历史的角度上看,科学家参与科幻创作是一种传统。19世纪末期,法国天文学家弗拉马利翁出版了《火星和它适宜居住的环境》,这引发了其后蔓延七八十年的火星热。科幻黄金时代的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫是生物化学教授。而著名物理学家卡尔·萨根创作的科幻小说《接触》不仅获得了雨果奖,还被改编成科幻大片,风靡全球。作为中国当代科幻的奠基人,著名科
期刊
科学导报讯 “‘十四五’山西将打造‘564’新装备产业体系,到2025年,山西装备制造业实现营业收入4500亿元,年均增长12%……”6月17日,山西省政府新闻办举行山西省“十四五”规划各专项规划系列解读新闻发布会的第六场发布会,邀请有关部门负责人深入解读了《山西省“十四五”新装备规划》(下称《新装备规划》)。   《新装备规划》明确指出:“十四五”期间山西重点围绕三领域着力打造“564”新装备产
期刊
6月17日9时22分,我国为空间站项目研制的神舟十二号载人飞船搭载3名航天员在酒泉卫星发射中心成功起航,向着太空进发,将我国航天员送入中国人在太空中的“新家”。  据介绍,在神舟十二号载人飞船上,中国航天科技集团有限公司五院510所(以下简称航天510所)承担研制了结构与机构、热控、测控、仪表与照明、环控生保等5个重要分系统中共计43台/套产品。这些设备凝聚着科研人员汗水和智慧的结晶,将为飞船在轨
期刊
科学导报讯 为营造干净、整洁的人居环境,确保做到水清、岸绿、景美。近日,大同市云冈区玉泉街道党工委集中开展清“四乱”行动,加大河道巡查力度,对辖区内甘河河道内的垃圾重点整治,全面清理。   据了解,玉泉街道辖区内甘河河道长1.4公里,宽40余米,由于历史原因,河道存在了大量的生活垃圾、建筑垃圾以及污水等。此次清理对河道内的顽固垃圾进行了清理,并且修正了河岸,河道环境大为改善,河岸面貌焕然一新。  
期刊
“三晋英才”李永庆  “对我来说,劳模只是一个称号。那些正在世界各地的轨道上,成批成批奔跑着的太重车轮,才是我引以为傲的勋章。”“山西省五一劳动奖章”获得者,中国重型机械行业大工匠,太原重工轨道公司车轮锻轧工部维修钳工李永庆说。  人生的成败不在艰难的小路上,而在十字路口,只要坚持不懈,成功的路上并不拥挤,因为能持之以恒的人并不多。他自称是个“指揮家”  在太重的轨道交通园区,有一条在世界上都数一
期刊
读书的心情,既不同于玩古董,也不同于看电影。玩古董,便首先求其古;看电影,便首先求其新。仅在古与新上去作计较,这只是出于消遣的心情,若读书不是为了消遣而是为了研究,则研究是以问题为中心,不论是观念上的問题,或是事实上的问题。问题有古的,有新的,也有由古到新的,问题的本身便是一种有机性的结构。研究者通过书本子以钻进问题中去以后,只知道随着其有机性的演进而演进,在什么地方安放得上古与新的争论、计较? 
期刊